JP5592129B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に用いられる電極及び被駆動体を用いて高周波の電界強度分布を制御するプラズマ処理装置に関する。

近年の微細化の要請に伴い、比較的高い周波数の電力を供給し、高密度プラズマを生成することが不可欠になってきている。図１０に示したように、高周波電源１５０から供給される電力の周波数が高くなると、表皮効果により高周波電流は、下部電極１１０の表面を伝搬して下部電極１１０の上部表面を端部から中央部に向けて伝搬する。これによれば、下部電極１１０の中心側の電界強度は下部電極１１０の端部側の電界強度より高くなり、下部電極１１０の中心側では端部側よりガスの電離や解離が促進される。この結果、下部電極１１０の中心側のプラズマの電子密度は、端部側のプラズマの電子密度より高くなる。プラズマの電子密度が高い下部電極１１０の中心側ではプラズマの抵抗率が低くなるため、対向する上部電極１０５においても上部電極１０５の中心側に高周波による電流が集中し、さらにプラズマ密度が不均一になる。

これに対して、プラズマの均一性を高めるために、電極本体の導電体の下部中心に矩形状のフラットな誘電体を埋設することが提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。これによれば、誘電体の作用により、誘電体の下方にて電界強度分布を低下させることができる。

更にプラズマの均一性を高めるために、電極本体の導電体に埋設する誘電体の形状をテーパ状にすることも提案されている（たとえば、特許文献２を参照）。特許文献２では誘電体がテーパ状であるため、誘電体がフラットな場合より誘電体の端部にて電界強度分布が低下しすぎない。これにより電界強度分布の均一性をさらに高めることができる。

特開２０００−３２３４５６号公報 特開２００５−２２８９７３号公報

しかしながら、導電体に誘電体を埋め込む場合、異種材の接合方法を駆使する必要がある。特に、導電体にテーパ状の誘電体を埋め込む場合、大がかりなテーパ構造を作り込んで作製する必要がある。例えば、導電体と誘電体とは接着剤やネジを用いて接合される。また、導電体はアルミニウム等の金属から形成され、誘電体はセラミックス等から形成されるため線熱膨張差が生じることを考慮して部材間の接合部分に適当な隙間を設けておく必要がある。ところが、誘電体がテーパ状であると機械加工が難しく、テーパ部分での寸法精度が悪くなる。よって、線熱膨張差により接合部分の一部に応力が集中しやすくなって接合面の接着剤が剥離し、チャンバ内の汚染源となる場合があった。

これに加えて、プラズマ処理の効果のプロファイルを変更したい場合にも、導電体に誘電体を埋め込む場合には大がかりな設計変更を余儀なくされ、たとえ部分的な変更によりプラズマ処理の効果を少し変えたい場合であっても、基本的な製作時の加工上の難易度は変わらないという問題を有していた。従って、以上の問題を解決するために完全な単一素材又は一体的に形成可能な素材によって電界強度分布を制御可能な電極を製作することが望まれていた。

さらに、このようにして単一素材を用いて完成した電極を、その構造に機械的加工を加えることなく、電界強度分布を可変に制御できれば、ガス種や圧力等のプロセス条件に応じて変化する電界強度分布に対しても柔軟に対応し、プラズマをより均一に生成することができる。

上記問題に対して、本発明の目的とするところは、均質素材の電極及び被駆動体を用いて高周波の電界強度分布を可変に制御することが可能な、新規かつ改良されたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、減圧可能な処理容器内に処理ガスを導入して高周波電力のパワーによりプラズマを生成し、前記プラズマによって被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、複数の凹部が形成された、前記処理容器内に配設される上部電極を構成する誘電体の基材と、前記複数の凹部に出し入れ可能な複数の凸部材を含む被駆動体と、前記被駆動体を駆動することにより、前記複数の凹部に前記複数の凸部材を出し入れさせる駆動機構と、前記処理容器内に、前記上部電極に対向して配設され高周波電力が供給される下部電極と、を備えることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

かかる構成によれば、真空空間は誘電率ε_０が１の誘電層として見なされることを利用して、ベースとなる基材の誘電率ε_１と、基材に形成された凹部内の真空空間の誘電率ε_０との差を作り出す。ここで、真空空間の誘電率ε_０の１は、誘電物質の誘電率の中で最も低い。よって、凹部内の誘電率ε_０は、基材の誘電率ε_１より必ず小さくなる。これにより、凹部内のキャパシタンス（静電容量）は、基材のキャパシタンスより低くなる。これは、静電容量的にいえば、例えば、図４（ａ）の上部に示した凹部としての細孔Ａの存在するエリアだけ、図４（ａ）の下部に突出部分１０５ａ１にて示したように基材の誘電体が厚くなったのと同等の効果を有する。

この原理を用いて、本発明では、電極の基材に複数の凹部を設けることにより、基材の複数の凹部の静電容量をそれ以外の基材部分の静電容量より低くする。これによって、基材の複数の凹部がそれ以外の基材の部分より厚くなったのと同様の効果、つまり、基材の凹部ではその他の部分より高周波を通り抜けにくくする効果を奏することができる。この結果、複数の凹部を基材の中央部に形成することにより、基材中央のプラズマ密度を低下させ、プラズマ生成に消費される高周波の電界強度分布を均一化することができる（以下、これを上部電極による均一化効果ともいう）。

さらに、本発明は、複数の凹部に出し入れ可能な複数の凸部材を含む被駆動体と、この被駆動体を駆動することにより複数の凹部に複数の凸部材を出し入れさせる駆動機構とを有する。これによれば、凸部材の素材が誘電体であれば、真空空間の誘電率ε_０より必ず高い誘電率を有する。このため、静電容量的にいえば、凸部材を凹部に入れたときは、凸部材を凹部から出したときより図４（ａ）の下部に示した突出部分１０５ａ１の基材の誘電体の厚みは薄くなる。これは、複数の凹部に複数の凸部材を出し入れすることにより、電極の構造に機械的加工を加えることなく、高周波の通り抜けやすさや通り抜けにくさを示すインピーダンスを可変に制御できることを意味する。この結果、本発明によれば、凸部材の誘電率や凸部材の凹部への挿入の程度等により、プロセス条件に応じて変化する電界強度分布に対しても柔軟に対応でき、プラズマをより均一に生成することができる。

また、上記本発明の構成では基材と誘電体とを接合する必要がないため、特殊素材、特殊接合材等を必要とせず、平板である基材に対して上部電極による均一化効果が欲しいところだけに細孔を施工すればよく、製造が簡単かつ容易である。

前記複数の凹部は、複数の細孔又は複数の溝であってもよい。

前記複数の凸部材は、前記複数の細孔に出し入れ可能な複数の棒状部材又は前記複数の溝に出し入れ可能な複数の板状部材であってもよい。

前記複数の凸部材は、誘電部材又は金属部材から形成されていてもよい。

前記複数の凸部材が誘電部材から形成される場合、前記基材を構成する誘電体の誘電率は、前記複数の凸部材を構成する誘電部材の誘電率より大きくてもよい。

前記被駆動体は、前記基材の内周側から外周側に形成された複数の凹部に応じて前記内周側から外周側に設けられた複数の凸部材を、少なくとも前記内周側及び前記外周側の２系統以上に分けて多系統で駆動してもよい。

前記複数の凸部材のうち、前記基材の外周側に形成された凹部に出し入れされる凸部材ほど、前記基材の内周側に形成された凹部に出し入れされる凸部材よりも誘電率が高い部材又は金属部材の少なくともいずれかから形成されていてもよい。

前記複数の凹部は、前記処理容器と連通し、前記処理容器内を真空状態にすると、これに応じて真空状態となっていてもよい。

前記複数の凹部は、前記基材をプラズマ空間側に貫通しない範囲で深さを変えて形成され、前記複数の凸部材は、前記複数の凹部の深さにそれぞれ対応した長さに形成されていてもよい。

前記基材の外周側に形成された凹部の深さは、前記基材の内周側に形成された凹部の深さより浅く、前記基材の外周側に形成された凸部材の長さは、前記複数の凹部の深さに応じて前記基材の内周側に形成された凸部材より短くてもよい。

前記複数の凹部の深さは、前記複数の凹部が形成された全範囲において全体としてテーパ状に形成されていてもよい。

前記複数の細孔の直径は、シースの厚さの２倍以下の範囲で異なるサイズに形成されていてもよい。

前記基材の外周側に形成された細孔の直径は、前記基材の内周側に形成された細孔の直径より小さく、前記基材の外周側に形成された棒状部材の直径は、前記複数の細孔の直径に応じて前記基材の内周側に形成された棒状部材の直径より小さくてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、内部にて被処理体をプラズマ処理する処理容器と、前記処理容器の内部にて互いに対向し、その間に処理空間を形成する第１及び第２の電極と、前記処理容器内に高周波電力を出力する高周波電源と、を備えるプラズマ処理装置であって、前記第１の電極には、複数の凹部が形成された誘電体の基材が設けられ、前記複数の凹部に出し入れ可能な複数の凸部材を含む被駆動体と、前記被駆動体を駆動することにより、前記複数の凹部に前記複数の凸部材を出し入れする駆動機構と、を備え、前記高周波電源は、前記第２の電極に接続され、前記第２の電極に高周波電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。

前記第１の電極は、上部電極であり、前記上部電極には、複数のガス導入管が形成され、シャワーヘッドとして機能し、前記第２の電極は、下部電極であってもよい。

以上説明したように本発明によれば、均質素材の電極及び被駆動体を用いて高周波の電界強度分布を可変に制御することができる。

本発明の一実施形態に係るＲＩＥプラズマエッチング装置の縦断面図である。 図２（ａ）は一般的な上部電極の縦断面図であり、図２（ｂ）は同実施形態に係る電極の縦断面図である。 同実施形態に係る電極の基材の横断面図(図２（ｂ）の１−１断面)である。 図４（ａ）は同実施形態に係る電極に設けられた細孔の作用を説明するための図であり、図４（ｂ）は同実施形態に係る電極に設けられた金属棒の作用を説明するための図である。 同実施形態に係る細孔に誘電体棒の可変機構を出し入れしたときの効果を説明するための図である。 可変機構の棒状部材及び基材の物質の関係と静電容量的効果とを説明するための図である。 同実施形態に係る細孔に金属棒の可変機構を出し入れしたときの効果を説明するための図である。 可変機構が多系統から構成される場合を示した図である。 可変機構を駆動する駆動機構を示した図である。 一般的なプラズマ装置に印加される高周波の電流を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

まず、本発明の一実施形態に係る電極を用いたＲＩＥプラズマエッチング装置（平行平板型プラズマ処理装置）について図１を参照しながら説明する。ＲＩＥプラズマエッチング装置１０は、処理容器内にてプラズマを生成し、そのプラズマによって被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の一例である。

ＲＩＥプラズマエッチング装置１０は、減圧可能な処理容器１００を有する。処理容器１００は、小径の上部チャンバ１００ａと大径の下部チャンバ１００ｂとから形成されている。処理容器１００は、たとえばアルミニウム等の金属から形成され、接地されている。

処理容器１００の内部では、上部電極１０５及び下部電極１１０が対向配設され、これにより、一対の平行平板電極が構成されている。ウエハＷは、ゲートバルブＶから処理容器１００の内部に搬入され、下部電極１１０に載置される。処理容器内では、処理ガスを導入して高周波電力のパワーによりプラズマが生成される。下部電極１１０のウエハＷは、そのプラズマによりエッチング処理される。

上部電極１０５は、上部基材１０５ａ及び上部基材１０５ａ直上のベースプレート１０５ｂを有している。上部基材１０５ａは、石英（ＳｉＯ_２）から形成されている。上部基材１０５ａは、石英（ＳｉＯ_２）に限られず、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）、テフロン（登録商標：ポリテトラフルオロエチレン）等の誘電体から形成されていてもよい。

ガスは、ガス供給源１１５から供給され、導電体のベースプレート１０５ｂと処理容器１００とで形成される拡散空間にて拡散された後、図２（ｂ）の上部電極１０５の縦断面図に示したように、複数のガス通路１０５ｄから上部基材１０５ａに形成された複数のガス導入管１０５ｅに通され、複数のガス穴１０５ｃから処理容器内に導入される。このようにして、上部電極１０５は、上部基材１０５ａ及びベースプレート１０５ｂが一体となってシャワーヘッドとして機能するようになっている。なお、上部電極１０５は、ベースプレート１０５ｂを有さず、上部基材１０５ａが処理容器１００の天板に直接密着する構造でもよい。

上部基材１０５ａの上部中央には、細孔Ａが複数形成されている。複数の細孔Ａの深さについては、上部基材１０５ａの中央部に形成された細孔Ａは同じ深さに掘られている。また、上部基材１０５ａの周辺部に形成された細孔Ａは、上部基材１０５ａの中央部に形成された細孔Ａより浅くなっている。これにより、複数の細孔Ａは、全体としてテーパ状になるように形成されている。

図３は、本実施形態に係る上部電極１０５の基材１０５ａの横断面(図２（ｂ）の１−１断面)を示す。細孔Ａは、上部基材１０５ａの中央側に均等に配置されている。細孔Ａの作用、効果については後述する。

細孔Ａのパターンは、略正方形パターンに限られず、略正三角形や略円形等、面内均等性を有するパターンであればどのようなパターンであってもよい。また、上記細孔Ａに替えて、リング状の溝を同心円状に1つ又は複数設けてもよい。

図１に戻って、ＲＩＥプラズマエッチング装置１０の天井上部には被駆動体としての可変機構２００が配設されている。可変機構２００には、複数の細孔Ａに出し入れ可能な複数の棒状部材Ｂがベース板２０５に固定され、全体として剣山状に形成されている。

ベース板２０５には、駆動機構としてのモータＭが連結されている。モータＭの動力で可変機構２００を駆動することにより、複数の棒状部材Ｂが昇降し、これにより複数の細孔Ａへの複数の棒状部材Ｂの出し入れが制御される。

下部電極１１０は、アルミニウム等の金属から形成された下部基材１１０ａが絶縁層１１０ｂを介して支持台１１０ｃに支持されている。これにより、下部電極１１０は電気的に浮いた状態になっている。支持台１１０ｃの下方部分はカバー１１０ｄにて覆われている。支持台１１０ｃの下部外周には、バッフル板１２０が設けられていてガスの流れを制御する。

下部電極１１０には、冷媒室１１０ａ１が設けられていて、冷媒導入管１１０ａ２のイン側から導入された冷媒が、冷媒室１１０ａ１を循環し、冷媒導入管１１０ａ２のアウト側から排出される。これにより、下部電極１１０を所望の温度に制御する。

下部電極１１０直上の静電チャック機構１２５では、絶縁部材１２５ａに金属シート部材１２５ｂが埋め込まれている。電極部１２５ｂには直流電源１３５が接続され、直流電源１３５から出力された直流電圧が電極部１２５ｂに印加されることにより、ウエハＷは下部電極１１０に静電吸着される。静電チャック機構１２５の外周には、たとえばシリコンにて形成されたフォーカスリング１３０が設けられていて、プラズマの均一性を維持する役割を果たしている。

下部電極１１０は、第１の給電棒１４０を介して第１の整合器１４５及び第１の高周波電源１５０に接続されている。処理容器内のガスは、第１の高周波電源１５０から出力されたプラズマ励起用の高周波の電界エネルギーにより励起され、これにより生成された放電型のプラズマによってウエハＷにエッチング処理が施される。本実施形態では、上部電極１０５が第１の電極、下部電極１１０が第２の電極として説明を続けるが、第１の電極は上部電極１０５であっても下部電極１１０であってもよく、同様に第２の電極も上部電極１０５であっても下部電極１１０であってもよい。

下部電極１１０はまた、第１の給電棒１４０から分岐した第２の給電棒１５５を介して第２の整合器１６０及び第２の高周波電源１６５に接続されている。第２の高周波電源１６５から出力された、たとえば３．２ＭＨｚの高周波はバイアス電圧として下部電極１１０へのイオンの引き込みに使われる。

処理容器１００の底面には排気口１７０が設けられ、排気口１７０に接続された排気装置１７５を駆動することにより、処理容器１００の内部を所望の真空状態に保つようになっている。

上部チャンバ１００ａの周囲には、マルチポールリング磁石１８０ａ、１８０ｂが配置されている。マルチポールリング磁石１８０ａ、１８０ｂは、複数の異方性セグメント柱状磁石がリング状の磁性体のケーシングに取り付けられていて、隣接する複数の異方性セグメント柱状磁石同士の磁極の向きが互いに逆向きになるように配置されている。これにより、磁力線が隣接するセグメント磁石間に形成され、上部電極１０５と下部電極１１０との間の処理空間の周辺部のみに磁場が形成され、処理空間にプラズマを閉じこめるように作用する。

次に、本実施形態に係るＲＩＥプラズマエッチング装置１０に取り付けられた電極構造についてさらに詳しく説明する。図２（ａ）は一般的な上部電極の縦断面図であり、図２（ｂ）は前述のとおり本実施形態に係る上部電極１０５の縦断面図である。

（上部電極の細孔と高周波の電界強度分布の制御）
前述したように、図１０に示した高周波電源１５０から供給される電力の周波数が高くなると、表皮効果により高周波の電流は、下部電極１１０の表面を伝搬して下部電極１１０の上部表面を端部から中央部に向けて伝搬し、下部電極１１０の中心側では端部側より電界強度が高くなり、ガスの電離や解離が促進される。これにより下部電極１１０の中心側では端部側よりプラズマの電子密度が高くなる。この結果、下部電極１１０の中心側では端部側よりプラズマの抵抗率が低くなるため、上部電極１０５においても上部電極１０５の中心側に高周波による電流が集中して、プラズマ密度分布が不均一になる。図２（ａ）には、プラズマが生成されるプラズマ空間にてプラズマ密度分布が中央部で高く端部で低くなった状態が示されている。なお、図２（ａ）に示したキャパシタンス成分(静電容量)の分布は、誘電体で形成された上部基材１０５ａがフラットであるため、これに応じて一様な分布となっている。

これに対して、図２（ｂ）に示した本実施形態に係る上部電極１０５には、前述したように上部基材１０５ａの上面に開口した細孔Ａが複数形成されている。複数の細孔Ａは処理容器１００と連通している。つまり、一般に上部基材１０５ａとベースプレート１０５ｂとの接触面等の部材間には機械加工上隙間が生じている。このため、処理容器１００の内部空間と各細孔Ａの内部空間とは連通している。よって、プラズマプロセスを実行するために排気装置１７５により処理容器１００の内部を真空状態まで排気すると、前記隙間を介して細孔Ａの内部も真空状態となる。よって、細孔Ａ内部の真空空間は、誘電率ε_０が「１」の誘電層と見なすことができる。

一方、上部基材１０５ａ自体は、前述のとおり、誘電率ε_１が約「３．８」の石英から形成されている。よって、かかる構成によれば、上部基材１０５ａと細孔Ａとの間に誘電率の差を作り出すことができる。ここで、真空空間の誘電率ε_０は、誘電物質の中で最も低い。よって、細孔Ａ内部の誘電率ε_０は、上部基材１０５ａの誘電率ε_１より必ず小さくなる。よって、細孔Ａ内では上部基材１０５ａよりキャパシタンスが小さくなる。これは、静電容量的にいえば、図４（ａ）の上部に示した細孔Ａの存在するエリアだけ、図４（ａ）の下部に示した突出部分１０５ａ１にて示したように上部基材１０５ａの誘電体が厚くなったのと同等の効果を奏する。換言すれば、上部基材１０５ａに内部が真空の細孔Ａを形成すると、図４（ａ）の下部に示した上部基材１０５ａの突出部分１０５ａ１のキャパシタンスとフラット部分１０５ａ２のキャパシタンスとを並列につなぐことと等価の効果を奏することができる。

この原理を用いて、本実施形態では、上部基材１０５ａの中央に複数の細孔Ａを設けることにより、上部基材１０５ａの中央の静電容量を周辺の静電容量より小さくする。これによって、上部基材１０５ａの誘電体が中央において周辺より厚くなったのと同じ効果、つまり上部基材１０５ａの中央部ではその周辺部より高周波を通り抜けにくくする効果を奏することができる。この結果、本実施形態では、上部基材１０５ａ中央のプラズマ密度を低下させ、プラズマ密度分布を均一化することができる。

さらに、本実施形態の複数の細孔Ａは、上部基材１０５ａをプラズマ空間側に貫通しない範囲で深さを変えて形成されている。具体的には、外周部の細孔Ａの深さは、中央部の細孔Ａより浅く形成される。これにより、全体として上部基材１０５ａの上面を底面としたテーパ状に形成される。これにより、図２（ｂ）に示したように、上部基材１０５ａ内の静電容量の分布を、中央部が周辺部より低くなるように、なだらかに変化させることができ、プラズマ密度分布をより均一にすることができる。

なお、各細孔Ａの深さは、本実施形態の例に限られない。各細孔Ａの深さは、プラズマ密度が高くなる部分の細孔Ａを深くし、プラズマ密度が低くなる部分の細孔Ａを浅くするように各細孔の深さを調節することが好ましい。

複数の棒状部材Ｂは、複数の細孔Ａの深さにそれぞれ対応した長さに形成されている。本実施形態では、上部基材１０５ａの外周部(外側)に形成された細孔Ａの深さは、上部基材１０５ａの中央部(内側)に形成された凹部の深さより浅い。よって、複数の細孔Ａの深さに応じ上部基材１０５ａの外側に形成された棒状部材Ｂの長さは上部基材１０５ａの内側に形成された棒状部材Ｂより短くなっている。

細孔Ａは、プラズマ空間側に上部基材１０５ａを貫通しておらず、プラズマ空間と物理的に遮断されている。これにより、細孔Ａの内部にプラズマ中のイオンが入り込むことを防ぐことができ、細孔Ａの内部で異常放電が発生することを回避することができる。

また、細孔Ａは、シースの厚さの２倍以下の直径に形成されている。ここで、「プラズマのシース幅」ｓは、下記の式（数１）で与えられる。

ρ：直流シースの場合のシース巾
ε_ｏ：真空中の誘電率
Ｒ：ボルツマン定数
Ｔ_ｅ：電子温度
Ｖ：シース電位
ｎ_ｉ：イオン密度

細孔Ａには、通常、特別な機械加工を行わない限り、ガス通路１０５ｄ及びガス導入管１０５ｅを通るガスが入り込む。従って、細孔Ａの内部空間がシースで満たされていないと、高周波のエネルギーにより細孔Ａ内のガスが励起して細孔Ａの内部で異常放電が発生する可能性がある。しかしながら、本実施形態では、細孔Ａの直径がシース厚さの２倍以下になっている。よって、細孔Ａの内部空間はすべてシース領域となる。これにより、細孔Ａの内部で異常放電が発生することを回避するとともに細孔Ａ内へのプラズマの侵入を防ぐことができる。

細孔Ａは、細孔Ａの直径をシースの厚さの２倍以下の範囲で変えてもよい。例えば、中央側に位置する細孔Ａの直径を大きく、周辺側に位置する細孔Ａの直径を小さくしてもよい。これによれば、細孔Ａの深さが同じであっても、図２（ｂ）に示した全体としてテーパ形状の細孔Ａと同等の効果を得ることができ、プラズマ密度分布の均一化を図ることができる。なお、細孔Ａの深さと細孔Ａの直径の両方を調整してもよい。

複数の棒状部材Ｂは、複数の細孔Ａの深さにそれぞれ対応した太さに形成される。よって、本実施形態では、上部基材１０５ａの周辺側に形成された棒状部材Ｂの直径は、複数の細孔Ａの直径に応じて上部基材１０５ａの中央側に形成された棒状部材Ｂの直径より小さくなる。

なお、誘電体の基材に形成された複数の凹部は、上部基材１０５ａに形成された複数の細孔Ａに限られず、例えば図３（ｂ）に示した同心円上のリング状の溝であってもよい。また、可変機構２００に含まれる複数の凸部材は、複数の棒状部材に限られず、例えば図３（ｂ）に示した同心円上のリング状の溝に出し入れ可能なリング状の板状部材であってもよい。

（誘電体棒の可変機構：基材の誘電率ε_１＝誘電体の誘電率ε_２）
次に、可変機構２００の棒状部材Ｂとして誘電体棒Ｂ_１を出し入れしたときの作用、効果について図５を参照しながら説明する。ここでは、誘電体棒Ｂ_１と上部基材１０５ａとが同一誘電部材で形成されているとする。例えば、上部基材１０５ａが石英から形成されているとすると、誘電体棒Ｂ_１も石英から形成されている。よって、上部基材１０５ａの誘電率ε_１と誘電体棒Ｂ_１の誘電率ε_２とは３．８と同じ数値となる。

図５の上部は、可変機構２００が最も下降し、複数の誘電体棒Ｂ_１が複数の細孔Ａの底部まで挿入され、細孔Ａの内部が誘電体棒Ｂ_１の石英で埋められている状態を示している。この状態は、図６の左から２番目の「同一誘電体の場合」のように、上部基材１０５ａに細孔Ａが形成されていないのとほぼ同じ状態と考えられる。よって、可変機構２００が最も下降したとき、上部基材１０５ａの下方にて静電容量は一様に分布し、上部電極による均一化効果は得られない。

次に、図５の下部に示したように、可変機構２００が上昇すると、誘電体棒Ｂ_１が出てしまった細孔Ａ内は真空空間となる。前述したように、プロセス中、処理容器１００の内部は真空状態であるため、これに伴って細孔Ａ内も真空状態となるからである。このとき、細孔Ａ内は真空の棒で形成されているとも考えられる。真空空間の誘電率ε_０は約１であり、上部基材１０５ａの誘電率ε_１より必ず小さくなる。これは、前述の原理によれば、静電容量的には細孔Ａの存在するエリアだけ、上部基材１０５ａの誘電体が厚くなったのと同等の効果を奏する。この結果、図６の下図の「真空の場合」に示したように、上部基材１０５ａの中央の静電容量を周辺の静電容量より小さくすることができる。これによって、上部基材１０５ａの誘電体が中央において周辺より厚くなったのと同じ効果、つまり、上部基材１０５ａの中央部ではその周辺部より高周波を通り抜けにくくする効果を得ることができる。この結果、本実施形態では、上部基材１０５ａ中央のプラズマ密度を低下させ、プラズマ密度分布を均一化することができる。さらに、複数の細孔Ａを全体としてテーパ状に形成することにより、周辺側の細孔Ａにて電界強度分布が低下しすぎないように制御することができ、これにより、よりプラズマを均一に生成することができる。

（金属棒の可変機構）
次に、可変機構２００の棒状部材Ｂとして金属棒Ｂ_２を出し入れしたときの作用、効果について図７を参照しながら説明する。図７の上部は、可変機構２００が最も下降し、複数の金属棒Ｂ_２が複数の細孔Ａの底部まで挿入され、細孔Ａの内部が金属棒Ｂ_２で埋められている状態を示している。これは、図６の最も左図の「金属の場合」ように、上部基材１０５ａの中央にてテーパ状に金属のベースプレート１０５ｂが出っ張ったのと同じ状態と考えられる。

これは、静電容量的にいえば、例えば、図４（ｂ）の上部に示した凹部としての細孔Ａの存在するエリアだけ、図４（ｂ）の下部に凹み部分１０５ａ３にて示したように基材の誘電体が薄くなったのと同等の効果を有する。よって、可変機構２００が最も下降したとき、図６の最も左図に示したように、上部基材１０５ａの中央の静電容量を周辺の静電容量より大きくすることができる。これによって、上部基材１０５ａの中央部分ではその周辺部分より高周波を通り抜けやすくする効果を奏することができる。

図７の中央に示したように可変機構２００が半分程度上昇すると、金属棒Ｂ_２が出てしまった細孔Ａ内は真空空間となる。これは、静電容量的には細孔Ａの真空空間部分だけ、図４（ａ）の効果、つまり上部基材１０５ａの誘電体が厚くなったのと同等の効果を奏する。この結果、図６の下図に示したように、上部基材１０５ａの中央の静電容量を周辺の静電容量より小さくすることができる。これによって、上部基材１０５ａの誘電体が中央において周辺より厚くなったのと同じ効果、つまり、上部基材１０５ａの中央部分ではその周辺部分より高周波を通り抜けにくくすることができる。

さらに、図７の下部に示したように、可変機構２００が上昇し、金属棒Ｂ_２が出てしまうと、細孔Ａ内はすべて真空空間となる。これにより、上部基材１０５ａの中央部の静電容量を周辺部の静電容量よりさらに小さくすることができる。これによって、上部基材１０５ａの中央部分ではその周辺部分より高周波をさらに通り抜けにくくすることができる。

以上に説明したように、可変機構２００の棒状部材Ｂを誘電部材Ｂ_１又は金属部材Ｂ_２から形成し、可変機構２００の位置を制御して棒状部材Ｂによる細孔Ａの塞ぎ具合をコントロールすることにより、上部電極による均一化効果を可変にすることができる。これにより、プロセス条件に応じてプラズマ密度分布をより均一にすることができる。

（誘電体棒の可変機構：基材の誘電率ε_１＜誘電体の誘電率ε_２）
また、図６の右側の２つの図の「異なる誘電体の場合」には、上部基材１０５ａとテーパ状誘電体とを異なる誘電物質で形成した場合の上部電極による均一化効果が示されている。図６の右から２番目の図には、上部基材１０５ａの誘電率ε_１がテーパ状誘電体の誘電率ε_２より小さい場合の上部電極による均一化効果が示されている。この場合には、上部基材１０５ａの中央の静電容量を周辺の静電容量より大きくすることができる。これによって、上部基材１０５ａの中央部ではその周辺部より高周波を通り抜けやすくすることができる。ただし、金属棒の場合と比べると前記通り抜けやすさの程度は低くなる。

（誘電体棒の可変機構：基材の誘電率ε_１＞誘電体の誘電率ε_２）
図６の最も右の図には、上部基材１０５ａの誘電率ε_１がテーパ状誘電体の誘電率ε_２より大きい場合の上部電極による均一化効果が示されている。この場合には、上部基材１０５ａの中央の静電容量を周辺の静電容量より小さくすることができる。これによって、上部基材１０５ａの中央部において高周波を通り抜けにくくすることができる。ただし、真空の棒と見なされる真空空間の場合と比べると前記通り抜けにくさの程度は低くなる。

以上に説明した上部電極による均一化効果によれば、プラズマ密度が中央で高くなる場合には複数の凸部材が誘電体棒Ｂ_１から形成される場合、上部基材１０５ａの誘電率ε_１は、誘電体棒Ｂ_１の誘電率ε_２より大きいことが好ましい。

また、ここまで説明した上部電極による均一化効果の違いを考慮すると、プラズマ密度が中央で高くなる場合には、上部基材１０５ａの誘電率ε_１及び誘電体棒Ｂ_１の誘電率ε_２との間にε_１＜ε_２なる相対関係を有する誘電体棒Ｂ_１は可変機構２００の外側に位置づけることが好ましい。一方、上部基材１０５ａの誘電率ε_１及び誘電体棒Ｂ_１の誘電率ε_２との間にε_１＞ε_２なる相対関係を有する誘電体棒Ｂ_１は可変機構２００の内側に位置づけることが好ましい。

金属棒Ｂ_２の場合、前述のように上部電極による均一化効果は高い。ただし、金属棒Ｂ_２を使用する場合には異常放電を回避するために金属棒Ｂ_２の先端を尖らせず、丸まった形状にすると好ましい。

また、誘電体棒Ｂ_１は、誘電率ε_２の高い材質を使うほど、元の真空空間の誘電率ε_０との差が大きいので、誘電体棒を差し込んだことによる上部電極による均一化効果は大きくなる。つまり、誘電体棒Ｂ_１は、誘電率ε_２の高い材質を使うほど、金属棒の作用、効果に近似してくる。

可変機構２００に固定する複数の棒状部材Ｂは同じ種類でなくてもよく、例えば上部基材１０５ａの外周側に金属棒Ｂ_２を固定し、上部基材１０５ａの外周側と内周側の中間部にε_１＜ε_２なる相対関係を有する誘電率ε_２の誘電体棒Ｂ_１を固定し、上部基材１０５ａの内周側にε_１＞ε_３なる相対関係を有する誘電率ε_３の誘電体棒Ｂ_１を固定してもよい。また、これはあくまで一例であり、プラズマ密度分布に応じてその他の組み合わせも可能である。

（多系統の駆動）
可変機構２００は、多系統に構成され、各系統で別々に駆動することもできる。具体的には、可変機構２００は、複数の細孔Ａに応じて設けられた複数の棒状部材Ｂを、少なくとも上部基材１０５ａの内側に位置する棒状部材Ｂ及び上部基材１０５ａの外側に位置する棒状部材Ｂの２系統、若しくはそれ以上の系統に分けて駆動するようにしてもよい。

多系統の駆動方法の一例を図８に示す。ここでは、可変機構２００は、上部基材１０５ａに設けられた細孔Ａの外周側に位置する棒状部材Ｂａ、及び細孔Ａの内部側に位置する棒状部材Ｂｂの２系統に分かれて駆動可能なように、ベース板２０５ａ、２０５ｂが分離されている。外周側の棒状部材ＢａはモータＭａにより駆動され、内部側の棒状部材ＢｂはモータＭｂにより駆動される。これにより、外周側の細孔Ａａに対する棒状部材Ｂａの出し入れと、内側の細孔Ａｂに対する棒状部材Ｂｂの出し入れとを別々に行うことができる。これにより、プロセスに応じてプラズマの更なる均一性を図ることができる。

なお、各系統で棒状部材Ｂの種類を変えてもよい。例えば、複数の棒状部材Ｂのうち、上部基材１０５ａの外側に形成された細孔Ａａに出し入れされる棒状部材Ｂａほど、上部基材１０５ａの内側に形成された細孔Ａｂに出し入れされる棒状部材Ｂｂよりも誘電率が高い部材又は金属部材の少なくともいずれかから形成されるようにしてもよい。

以上に説明したように、本実施形態に係る上部電極１０５を組み込んだＲＩＥプラズマエッチング装置１０によれば、均質素材の電極構造及び可変機構２００を用いて高周波の電界強度分布を可変に制御することが可能なプラズマ処理装置を構築することができる。

（具体的駆動方法）
最後に、可変機構２００の具体的駆動方法について図９を参照しながら説明する。

可変機構２００の具体的駆動方法として、図９（ａ）は３等配以上の直動ガイド機構２１０ａを設置した場合を示し、図９（ｂ）は３等配以上のボールネジ昇降機構２１０ｂを設置した場合を示す。いずれも、可変機構２００の棒状部材Ｂが誘電体棒Ｂ_１であっても、金属棒Ｂ_２であっても利用することができる。

図９（ａ）の場合、処理容器１００の天井上であってベース板２０５の外周近傍に３等配以上の直動ガイド機構２１０ａが設置される。ベース板２０５にはエアーシリンダ２１５が連結する。図示しないエアー供給源からエアーシリンダ２１５への圧縮空気の出し入れにより、直動ガイド機構２１０に動力が伝えられると、これによりベース板２０５が昇降し、棒状部材Ｂが上部電極１０５に設けられた細孔Ａに出し入れされる。エアーシリンダ２１５を使用した場合、可変機構２００を最上位置及び最下位置の２ポジションにしか制御できないのが一般である。ただし、所定の場合には複数ポジションの制御が可能である。なお、直動ガイド機構２１０ａ及びエアーシリンダ２１５は、駆動機構の一例である。また、直動ガイド機構２１０は、リニアシャフトやＬＭガイド等の一般的な技術を使用することができる。

図９（ａ）の駆動機構２１５の他の例としては、エアーシリンダ２１５の替わりに電磁ソレノイドアクチュエータを使用した、電磁ソレノイドアクチュエータと直動ガイド機構２１０ａとの組み合わせが挙げられる。電磁ソレノイドアクチュエータを使用した場合、可変機構２００を最上位置及び最下位置の２ポジションだけでなく複数ポジションに制御することができる。電磁ソレノイドアクチュエータを使用した場合の駆動原理は、エアーシリンダを使用した場合と同様であるため、ここでの説明は省略する。

図９（ｂ）の場合、処理容器１００の天井上であってベース板２０５の外周近傍に３等配以上のボールネジ昇降機構２１０ｂが設置される。ボールネジ昇降機構２１０ｂは、外周にネジ状のらせん状溝が形成されている。この場合、モータ２２０（たとえば、サーボ・ステッピング）の動力を、駆動ベルト２２５を介してボールネジ昇降機構２１０ｂに伝えることにより、図示しないボールネジを介してベース板２０５が昇降する。これによれば、可変機構２００の無断階制御が可能となる。なお、ボールネジ昇降機構２１０ｂ、モータ２２０、駆動ベルト２２５及び図示しないボールネジは、駆動機構の一例である。

以上、可変機構２００の駆動方法について説明したが、駆動方法は、磁気的な駆動でも、電気的な駆動でも一般的な駆動技術を用いることができる。また、以上の説明では可変機構２００側が昇降したが、可変機構２００側を固定にし、上部電極１０５側を昇降させるようにしてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、上部電極を第１電極とし下部電極を第２電極としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、本発明は、下部電極を第１電極とし、上部電極を第２電極としてもよい。この場合、下部電極に細孔Ａが形成される。もちろん、本発明を上部電極及び下部電極の両方に適用してもよい。

また、上記実施形態では、下部電極にプラズマ励起用の高周波電力を印加したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、上部電極及び下部電極のいずれか、若しくは上部電極及び下部電極の両方にプラズマ励起用の高周波電力を印加してもよい。

本発明に係るプラズマ処理装置は、平行平板型のプラズマ処理装置に限られない。本発明に係るプラズマ装置は、容量結合型（平行平板型）プラズマ処理装置の他に、誘導結合型プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置等他のプラズマ処理装置のいずれにも用いることができる。

また、上記実施形態では、プラズマ処理装置をプラズマエッチング装置に限定したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、成膜装置やアッシング装置等、プラズマを励起させて被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に適用することができる。

被処理体は、シリコンウエハであってもよく、基板であってもよい。

１０ ＲＩＥプラズマエッチング装置
１００ 処理容器
１０５ 上部電極
１０５ａ 上部基材
１０５ａ１ 突出部分
１０５ａ２ フラット部分
１０５ａ３ 凹み部分
１０５ｂ ベースプレート
１０５ｃ ガス穴
１０５ｄ ガス通路
１０５ｅ ガス導入管
１１０ 下部電極
１５０ 高周波電源
１７５ 排気装置
２００ 可変機構
２０５ ベース板
２１０ａ 直動ガイド機構
２１０ｂ ボールネジ昇降機構
２１５ 駆動機構
２２０ モータ
Ａ 細孔
Ｂ 棒状部材
Ｂ１ 誘電体棒
Ｂ２ 金属棒

Claims (15)

1. 減圧可能な処理容器内に処理ガスを導入して高周波電力のパワーによりプラズマを生成し、前記プラズマによって被処理体に所望のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置であって、
   複数の凹部が形成された、前記処理容器内に配設される上部電極を構成する誘電体の基材と、
   前記複数の凹部に出し入れ可能な複数の凸部材を含む被駆動体と、
   前記被駆動体を駆動することにより、前記複数の凹部に前記複数の凸部材を出し入れさせる駆動機構と、
   前記処理容器内に、前記上部電極に対向して配設され高周波電力が供給される下部電極と、
   を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記複数の凹部は、複数の細孔又は複数の溝であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記複数の細孔の直径は、シースの厚さの２倍以下の範囲で異なるサイズに形成されることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記複数の凸部材は、前記複数の細孔に出し入れ可能な複数の棒状部材又は前記複数の溝に出し入れ可能な複数の板状部材であることを特徴とする請求項２又は３に記載のプラズマ処理装置。
5. 前記基材の外周側に形成された細孔の直径は、前記基材の内周側に形成された細孔の直径より小さく、
   前記基材の外周側に形成された棒状部材の直径は、前記複数の細孔の直径に応じて前記基材の内周側に形成された棒状部材の直径より小さいことを特徴とする請求項４に記載のプラズマ処理装置。
6. 前記複数の凸部材は、誘電部材又は金属部材から形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
7. 前記複数の凸部材が誘電部材から形成される場合、前記基材を構成する誘電体の誘電率は、前記複数の凸部材を構成する誘電部材の誘電率より大きいことを特徴とする請求項６に記載のプラズマ処理装置。
8. 前記被駆動体は、前記複数の凹部に応じて設けられた前記複数の凸部材を、少なくとも前記基材の内周側に位置する凸部材及び前記基材の外周側に位置する凸部材の２系統以上に分けて駆動することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
9. 前記複数の凸部材のうち、前記基材の外周側に形成された凹部に出し入れされる凸部材ほど、前記基材の内周側に形成された凹部に出し入れされる凸部材よりも誘電率が高い部材又は金属部材の少なくともいずれかから形成されることを特徴とする請求項８に記載のプラズマ処理装置。
10. 前記複数の凹部は、前記処理容器と連通し、前記処理容器内を真空状態にすると、これに応じて真空状態となることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
11. 前記複数の凹部は、前記基材をプラズマ空間側に貫通しない範囲で深さを変えて形成され、
    前記複数の凸部材は、前記複数の凹部の深さにそれぞれ対応した長さに形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
12. 前記基材の外周側に形成された凹部の深さは、前記基材の内周側に形成された凹部の深さより浅く、
    前記基材の外周側に形成された凸部材の長さは、前記複数の凹部の深さに応じて前記基材の内周側に形成された凸部材より短いことを特徴とする請求項１１に記載のプラズマ処理装置。
13. 前記複数の凹部の深さは、前記複数の凹部が形成された全範囲において全体としてテーパ状に形成されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のプラズマ処理装置。
14. 内部にて被処理体をプラズマ処理する処理容器と、前記処理容器の内部にて互いに対向し、その間に処理空間を形成する第１及び第２の電極と、前記処理容器内に高周波電力を出力する高周波電源と、を備えるプラズマ処理装置であって、
    前記第１の電極には、複数の凹部が形成された誘電体の基材が設けられ、
    前記複数の凹部に出し入れ可能な複数の凸部材を含む被駆動体と、
    前記被駆動体を駆動することにより、前記複数の凹部に前記複数の凸部材を出し入れする駆動機構と、を備え、
    前記高周波電源は、前記第２の電極に接続され、前記第２の電極に高周波電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
15. 前記第１の電極は、上部電極であり、
    前記上部電極には、複数のガス導入管が形成され、シャワーヘッドとして機能し、
    前記第２の電極は、下部電極であることを特徴とする請求項１４に記載のプラズマ処理装置。